CO2激光切割机的几项关键技术是光、机、電(diàn)一體(tǐ)化的综合技术。激光束的参数、机器与数控系统的性能(néng)和精度都直接影响激光切割的效率和质量。特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件，必须掌握和解决以下几项关键技术：
1、焦点位置控制技术：
激光切割的优点之一是光束的能(néng)量密度高，一般>10W/cm2。由于能(néng)量密度与4/πd2成正比，所以焦点光斑直径尽可(kě)能(néng)的小(xiǎo)，以便产生一窄的切缝;同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小(xiǎo)，焦点光斑直径就越小(xiǎo)。但切割有(yǒu)飞溅，透镜离工件太近容易将透镜损坏，因此一般大功率CO2激光切割工业应用(yòng)中广泛采用(yòng)5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。实际焦点光斑直径在0.1~0.4mm之间。对于高质量的切割，有(yǒu)效焦深还和透镜直径及被切材料有(yǒu)关。例如用(yòng)5〃的透镜切碳钢，焦深為(wèi)焦距的+2%范围内，即5mm左右。因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分(fēn)重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素，原则上<6mm的金属材料，焦点在表面上;>6mm的碳钢，焦点在表面之上;>6mm的不锈钢，焦点在表面之下。具體(tǐ)尺寸由实验确定。
在工业生产中确定焦点位置的简便方法有(yǒu)三种：
(1)打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径最小(xiǎo)处為(wèi)焦点。
(2)斜板法：用(yòng)和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束的最小(xiǎo)处為(wèi)焦点。
(3)蓝色火花(huā)法：去掉喷嘴，吹空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花(huā)处為(wèi)焦点。
对于飞行光路的切割机，由于光束发散角，切割近端和遠(yuǎn)端时光程長(cháng)短不同，聚焦前的光束尺寸有(yǒu)一定差别。入射光束的直径越大，焦点光斑的直径越小(xiǎo)。為(wèi)了减少因聚焦前光束尺寸变化带来的焦点光斑尺寸的变化，國(guó)内外激光切割系统的制造商(shāng)提供了一些专用(yòng)的装置供用(yòng)户选用(yòng)：
(1)平行光管。这是一种常用(yòng)的方法，即在CO2激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理(lǐ)，扩束后的光束直径变大，发散角变小(xiǎo)，使在切割工作范围内近端和遠(yuǎn)端聚焦前光束尺寸接近一致。
(2)在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴，它与控制喷嘴到材料表面距离(standoff)的Z轴是两个相互独立的部分(fēn)。当机床工作台移动或光轴移动时，光束从近端到遠(yuǎn)端F轴也同时移动，使光束聚焦后光斑直径在整个加工區(qū)域内保持一致。
(3)控制聚焦镜(一般為(wèi)金属反射聚焦系统)的水压。若聚焦前光束尺寸变小(xiǎo)而使焦点光斑直径变大时kwt_8wt，自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小(xiǎo)。
(4)飞行光路切割机上增加x、y方向的补偿光路系统。即当切割遠(yuǎn)端光程增加时使补偿光路缩短;反之当切割近端光程减小(xiǎo)时，使补偿光路增加，以保持光程長(cháng)度一致。
2.切割穿孔技术：
任何一种热切割技术，除少数情况可(kě)以从板边缘开始外，一般都必须在板上穿一小(xiǎo)孔。早先在激光冲压复合机上是用(yòng)冲头先冲出一孔，然后再用(yòng)激光从小(xiǎo)孔处开始进行切割。对于没有(yǒu)冲压装置的激光切割机有(yǒu)两种穿孔的基本方法：
(1)爆破穿孔：(Blastdrilling)
材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑，然后由与激光束同轴的氧流很(hěn)快将熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小(xiǎo)与板厚有(yǒu)关，爆破穿孔平均直径為(wèi)板厚的一半，因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大，且不圆，不宜在要求较高的零件上使用(yòng)(如石油筛缝管)，只能(néng)用(yòng)于废料上。此外由于穿孔所用(yòng)的氧气压力与切割时相同，飞溅较大。
(2)脉冲穿孔：(Pulsedrilling)
采用(yòng)高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化，常用(yòng)空气或氮气作為(wèi)辅助气體(tǐ)，以减少因放热氧化使孔扩展，气體(tǐ)压力较切割时的氧气压力小(xiǎo)。每个脉冲激光只产生小(xiǎo)的微粒喷射，逐步深入，因此厚板穿孔时间需要几秒(miǎo)钟。一旦穿孔完成，立即将辅助气體(tǐ)换成氧气进行切割。这样穿孔直径较小(xiǎo)，其穿孔质量优于爆破穿孔。為(wèi)此所使用(yòng)的激光器不但应具有(yǒu)较高的输出功率;更重要的时光束的时间和空间特性，因此一般横流CO2激光器不能(néng)适应激光切割的要求。此外脉冲穿孔还须要有(yǒu)较可(kě)靠的气路控制系统，以实现气體(tǐ)种类、气體(tǐ)压力的切换及穿孔时间的控制。
在采用(yòng)脉冲穿孔的情况下，為(wèi)了获得高质量的切口，从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术应以重视。从理(lǐ)论上讲通常可(kě)改变加速段的切割条件：如焦距、喷嘴位置、气體(tǐ)压力等，但实际上由于时间太短改变以上条件的可(kě)能(néng)性不大。在工业生产中主要采用(yòng)改变激光平均功率的办法比较现实，具體(tǐ)方法有(yǒu)以下三种：
(1)改变脉冲宽度;
(2)改变脉冲频率;
(3)同时改变脉冲宽度和频率。实际结果表明，第(3)种效果较好。
3.喷嘴设计及气流控制技术：
激光切割机切割钢材时，氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处，从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便足够的氧化使切口材料充分(fēn)进行放热反应;同时又(yòu)有(yǒu)足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外，喷嘴的设计及气流的控制(如喷嘴压力、工件在气流中的位置等)也是十分(fēn)重要的因素。
目前激光切割用(yòng)的喷嘴采用(yòng)简单的结构，即一锥形孔带端部小(xiǎo)圆孔(如图)。通常用(yòng)实验和误差方法进行设计。由于喷嘴一般用(yòng)紫铜制造，體(tǐ)积较小(xiǎo)，是易损零件，需经常更换，因此不进行流體(tǐ)力學(xué)计算与分(fēn)析。在使用(yòng)时从喷嘴侧面通入一定压力Pn(表压為(wèi)Pg)的气體(tǐ)，称喷嘴压力，从喷嘴出口喷出，经一定距离到达工件表面，其压力称切割压力Pc，气體(tǐ)膨胀到大气压力Pa。研究工作表明随着Pn的增加，气流流速增加，Pc也不断增加。可(kě)用(yòng)下列公式计算：
V=8.2d2(Pg+1)
V-气體(tǐ)流速L/min
d-喷嘴直径mm
Pg-喷嘴压力(表压)bar
对于不同的气體(tǐ)有(yǒu)不同的压力阈值，当喷嘴压力超过此值时，气流為(wèi)正常斜激波，气流速从亚音速向超音速过渡。此阈值与Pn、Pa比值及气體(tǐ)分(fēn)子的自由度(n)两因素有(yǒu)关：如氧气、空气的n=5，因此其阈值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2时(Pn>4bar)，气流正常斜激波封变為(wèi)正激波，切割压力Pc下降，气流速度减低，并在工件表面形成涡流，削弱了气流去除熔融材料的作用(yòng)，影响了切割速度。因此采用(yòng)锥孔带端部小(xiǎo)圆孔的喷嘴，其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。
為(wèi)进一步提高激光切割速度，可(kě)根据空气动力學(xué)原理(lǐ)，在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波，设计制造一种缩放型喷嘴，即拉伐尔(Laval)喷嘴。為(wèi)方便制造可(kě)采用(yòng)如图4的结构。德國(guó)汉诺威大學(xué)激光中心使用(yòng)500W CO2激光器，透镜焦距2.5〃，采用(yòng)小(xiǎo)孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分(fēn)别作了试验，见图4。试验结果如图5所示：分(fēn)别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下，切口表面粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中可(kě)以看出NO2小(xiǎo)孔喷嘴在Pn為(wèi)400Kpa(或4bar)时切割速度只能(néng)达到2.75m/min(碳钢板厚為(wèi)2mm)。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn為(wèi)500Kpa到600Kpa时切割速度可(kě)达到3.5m/min和5.5m/min。
应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴距离的函数。由于斜激波在气流的边界多(duō)次反射，使切割压力呈周期性的变化。
第1高切割压力區(qū)紧邻喷嘴出口，工件表面至喷嘴出口的距离约為(wèi)0.5~1.5mm，切割压力Pc大而稳定，是目前工业生产中切割手扳常用(yòng)的工艺参数。第二高切割压力區(qū)约為(wèi)喷嘴出口的3~3.5mm，切割压力Pc也较大，同样可(kě)以取得好的效果，并有(yǒu)利于保护透镜，提高其使用(yòng)寿命。曲線(xiàn)上的其他(tā)高切割压力區(qū)由于距喷嘴出口太遠(yuǎn)，与聚焦光束难以匹配而无法采用(yòng)。
综上所述，CO2激光器切割技术正在我國(guó)工业生产中得到越来越多(duō)的应用(yòng)，國(guó)外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。為(wèi)了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求，必须重视解决各种关键技术及执行质量标准，以使这一新(xīn)技术在我國(guó)获得更广泛的应用(yòng)。
